femi inducida_201110

5/12/2018 FEMI INDUCIDA_201110 - slidepdf.com

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CENTRO DE CIENCIA BÁSICA ESCUELA DE INGENIERÍAFÍSICA II: Fundamentos de Electromagnetismo

PRÁCTICA 8: LEY DE INDUCCIÓN LECTROMAGNÉTICA(Principio del transformador de voltaje)

1. OBJETIVOS:

• Determinar la relación entre la magnitud de la fuerza electromotriz inducida (f.e.m) y

las variables involucradas en la ley de inducción electromagnética de Faraday – Hernry,

como: Corriente en el primario I, Número de vueltas N p , ángulo θ (entre el vector área

del secundario, el campo magnético del primario) y el área A de la bobina secundaria.

• Observar y cuantificar la f.e.m. inducida en una bobina localizada dentro de un campo

magnético B variable producido por la circulación de corriente en un arreglo de bobinasde Helmholtz.

2. PREINFORME

2.1.Resumen de la siguiente base teórica:

• Conceptos de campo magnético y Flujo magnético

• Fenómeno de inducción electromagnética (Ley de Faraday – Henry) y Ley de Lenz.

• Campo magnético generado por la corriente que circula en una bobina circular, a unadistancia b de su centro. (ver capitulo33 y 34 del texto guía1).

• Voltajes pico - pico, voltaje efectivo rms , intensidad de voltaje

2.2. Modelo de cálculo:• Utilizando la ecuación (1), como aproximación para el campo magnético generado por

una corriente eléctrica que circula a través de las bobinas de Helmholtz, encontrar lasecuaciones de trabajo, aplicando la ley de inducción electromagnética, que le permitandeterminar la fuerza electromotriz inducida en función de la variación de flujo, la

corriente y las condiciones físicas de las bobinas, (ver ecuación 2, para valor de ángulo

(θ ) fijo).

a

i N

a

i N B

o

Z

µ µ 72.0

5

8

23

0≈= Tesla

m

Weber =

2(1)

1 Halliday David y Otros . Física Volumen 2 , Edit CECA, 5ª edición

1




( )

−=−= t I a

N N A

d t

d

o

s po Bϖ

θ ω µφ ε c o s

c o s7 2,0 (2)

3. MATERIALES Y EQUIPO:• Bobinas de Helmholtz

• Osciloscopio de 2 canales y puntas de

prueba

• Fuente de Voltaje alterno V A.C.

• Brújula

• Juego de bobinas secundarias

• Reóstato

•Amperímetro para corriente A.C.

• Conectores

4. METODOLOGÍA:El procedimiento se divide en dos partes. En la primera se pretende verificar la influencia

que los cambios en la amplitud de corriente que circula por el primario, generan en el valor

del voltaje inducido en la bobina secundaria y cuyo comportamiento en el tiempo se vera enla pantalla del osciloscopio. En La segunda parte para un valor fijo de corriente a.c, se

estudia la influencia de la posición angular del secundario con respecto al primario.

5. MONTAJE BÁSICO

2




Figura 1.

Recomendaciones:• Verificar que la conexión de las bobinas de Helmholtz sea en serie.

• Hacer rigurosamente las conexiones que se recomiendan en el diagrama eléctrico.

• Teniendo en cuenta el valor de la resistencia de las bobinas de Helmholtz, haga un

cálculo del valor de corriente que circularía por el circuito en el momento de cerrar elinterruptor, para que no trabaje con valores que perjudiquen la integridad de los

equipos.

• El amperímetro siempre debe conectarse en serie, su profesor debe verificar todas lasconexiones, antes de prender fuentes y cerrar interruptores.

• Usar siempre el interruptor, tratando de evitar el calentamiento exagerado de las

bobinas y reostatos.

• Anote todos los datos que aparecen en las bobinas de Helmholtz, luego los necesitará

para los cálculos.

5.2 DIAGRAMA ELÉCTRICO:

3

Fuente de voltajeAlterno

R

Bobinas deHelmholtz

A




Figura 2.

6. PROCEDIMIENTO

6.1 Corriente en el primario variable y demás parámetros constantes.• Haga el montaje básico que se ilustra en la figura 1 y verifique de acuerdo al diagrama

eléctrico (figura 2), que las conexiones estén correctas.

• Escoja la bobina con sección transversal de área pequeña, y úsela como bobina

secundaria, ubíquela entre las bobinas de Helmholtz, con un ángulo de cero grados.

Conecte a través de la punta de prueba esta bobina al canal 1 del osciloscopio y use elcanal 2 para la señal de voltaje del primario.

• Realice variaciones de corriente, desde 0,5 hasta 3,5 A (pero tenga siempre presente lacapacidad máxima en corriente de la fuente con la que esté trabajando). Recuerde queun amperímetro da valor efectivo de corriente (rms); por tanto la amplitud de la

corriente Io se debe hallar multiplicando el valor efectivo por 2 . Para cada uno de los

valores de corriente haga lecturas de voltaje y frecuencia en el osciloscopio y llene la

tabla 1. Tenga presente que con el osciloscopio sólo puede leer voltaje pico a pico yamplitud del voltaje Vo

• El osciloscopio proporciona la variación en el tiempo de la fem inducida, para obtener

el voltaje rms; debe anotar el valor de pico (Vo) o máximo de la senoidal y dividirlo por

2 . Lo puede verificar usando el voltímetro el cual brinda directamente el voltaje rms.

• Repita todo lo anterior para otra bobina secundaria de área transversal mayor y lleve losdatos a la tabla 2. El objetivo ahora es encontrar el número de espiras de una bobina

6.2 valor fijo de corriente en el primario, variación en la posición angular delsecundario:

• Conservando el circuito anterior, fije un valor de corriente de 2 A, en el primario.

• Para una bobina secundaria determinada, obtenga el valor de la fuerza electromotriz

para cada una de las siguientes posiciones angulares: θ = (0, 15, 30, 45, 60, 75, 90)grados, en sentido horario. Lleve los datos a la tabla 3.

6.3. De manera cualitativa identifique la influencia del área transversal del secundario

con respecto al flujo, al menos para otros 2 valores. Haga lo mismo para ver ladependencia del número de espiras en el secundario.

7.0 INFORME:

• Compare los valores de amplitud del voltaje inducido obtenido por la ecuación detrabajo y el medido con el osciloscopio. ¨¿Cómo son estos valores?

4




• Promedio los voltajes inducidos experimentales y halle el error relativo porcentual en

relación al valor obtenido con el modelo de cálculo, para cada valor de corriente en el primario.

• Analice los valores de resistencia corriente en le primario reportada por el amperímetro

y la calculada aplicando la ley de Ohm. Que encuentra en esta comparación y como

puede justificar los resultados hallados?• Reporte el valor del número de espiras encontrado para la bobina secundaria

desconocida, con su respectivo error y diga cuál fue la precisión de esta medida.

• Con los datos de la tabla 3, grafique la f.e.m. inducida en función del ángulo. Analice ydescriba sus conclusiones al respecto.

• Por qué se selecciona como corriente para el primario una corriente alterna?.

• Enuncie algunas aplicaciones del fenómeno de inducción electromagnética.

• Justifique por qué la conexión de las bobinas de Helmholtz debe ser en serie.

TABLA 1. Voltaje inducido en el secundario en función de la corriente eléctrica en el

primario

I máx de la fuente (A) = _____ Área transversal de la bobina secundaria (m2) = _______ Número de espiras bobina del secundario Ns = _____ Posición angular θ = _____ Resistencia Eléctrica en el circuito primario ______ Frecuencia en la Bobina primaria ______ Frecuencia en la Bobina Secundaria _____

BOBINA PRIMARIA BOBINA SECUNDARIAIrms (A) IO (A) Vo (v) Vrms (v) Voi (v) Vrmsi (v) Fem i (v)* ERROR RELATIVO

PORCENTUAL

Irms = Corriente en las bobinas de HelmholtzIO = Amplitud de la corriente en las bobinas de Helmholtz (Corriente pico)Vo = Amplitud de voltaje o voltaje picoVoi = Amplitud de voltaje inducido en el secundarioVrmsi = Voltaje efectivo inducido en el secundario (medido con el osciloscopio)

5




F.e.m.i = Voltaje inducido obtenido por cálculos teórico (ecuación de trabajo)

TABLA 2. Cálculo del número de espiras de una bobina a partir de la femi (Otrabobina secundaria)

I máx de la fuente (A) = _____ Área transversal de la bobina secundaria (m2) = _______ Número de espiras bobina del secundario Ns = _____ Posición angular θ = _____ Resistencia Eléctrica en el circuito primario ______

BOBINA PRIMARIA BOBINA SECUNDARIAIrms (A) IO (A) Voi (v) Vrmsi (v) Ns

0.200.40

0.600.801.001.201.401.601.802.00

TABLA 3. Cálculo del número de espiras de una bobina a partir de la femi

I máx de la fuente (A) = ______ Área transversal del secundario (m2) =_____ Espiras del secundario Ns = _____ Corriente en el Primario Ip (A) =

θ Vpp (v) Vrms (v) Fem (v)0

+15-15+30-30+45-45+60-60+75-75+90

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